Crédit :Conseil australien de la recherche
La moitié de tous les transistors de votre iPhone utilisent des « trous » chargés positivement, plutôt que des électrons chargés négativement pour fonctionner.
À l'Université, nous enseignons aux étudiants de premier cycle que les trous sont des quasiparticules, essentiellement des "électrons manquants" - un peu comme la bulle dans un niveau à bulle, ou la chaise manquante dans un jeu de chaises musicales.
Mais ce n'est pas tout :les trous ont également des propriétés de "spin" très différentes de celles des électrons. (Le spin d'une particule est son moment angulaire intrinsèque.)
Ces propriétés de spin uniques des trous les rendent très attractifs pour les transistors à spin ultra-faible puissance, bits quantiques à grande vitesse, et bits quantiques topologiques tolérants aux pannes.
Le problème est que jusqu'à récemment, nous n'avions pas une bonne compréhension des propriétés de spin des trous dans les transistors nanométriques. En réalité, les meilleures théories prédisaient le comportement opposé à celui observé dans les expériences.
Maintenant, une équipe de physiciens dirigée par Alex Hamilton et Oleg Sushkov de l'UNSW a résolu le mystère en identifiant un nouveau terme dans les équations qui avait auparavant été négligé.
Cela réconcilie expérimentations et théories, et ouvre la voie aux futurs dispositifs d'électronique quantique et d'informatique quantique.
La clé du problème est qu'un trou se comporte très différemment lorsqu'il est confiné à seulement deux dimensions, par rapport à son comportement dans un état normal, solide en trois dimensions.
Un transistor est fabriqué avec deux matériaux semi-conducteurs de propriétés électroniques légèrement différentes, pressés ensemble. A l'interface de ces deux matériaux, une zone effectivement bidimensionnelle existe, dans lequel une fine feuille d'électrons ou de trous peut être contrôlée pour exécuter les fonctions logiques nécessaires.
Mais alors que le comportement des trous en trois dimensions est bien compris depuis de nombreuses décennies, leur confinement à deux dimensions introduit de nouveaux facteurs qui provoquent des réponses autrement imprévisibles à un champ magnétique appliqué. À savoir, ce confinement introduit une nouvelle « interaction rotation-orbite ».
Interaction spin-orbite (SOI), est le couplage du mouvement du trou dans l'espace (par exemple en orbite autour d'un atome ou le long d'un chemin porteur de courant) et son spin. Cette interaction spin-orbite modifie la façon dont les trous répondent à un champ magnétique et est la clé de la fonction des matériaux topologiques, qui sont étudiés à FLEET pour leur potentiel à former des voies de résistance ultra-faible pour le courant électrique.
La nouvelle étude est la première fois que ces nouveaux effets spin-orbite pour des trous confinés à une dimension ont été correctement classés.
En 2006, Les expériences de l'UNSW ont trouvé un résultat qui ne correspondait pas à la théorie existante :
L'alignement des trous avec un champ magnétique appliqué est montré dans cette animation. Crédit :Conseil australien de la recherche
Les expérimentateurs examinaient les effets d'un champ magnétique externe appliqué à un chemin porteur de charge connu sous le nom de fil quantique.
Le champ magnétique appliqué sépare, ou se divise, les niveaux d'énergie des trous avec des spins différents. Des expériences ont montré que la division du spin était extrêmement sensible à la direction du champ magnétique, contrairement aux électrons qui sont insensibles à la direction du champ.
Par ailleurs, la division du spin s'est avérée être la plus importante lorsque le champ magnétique a été appliqué le long du fil quantique - un résultat qui était complètement contraire aux théories existantes. Ce désaccord entre l'expérience et la théorie est resté inexpliqué au cours de la dernière décennie.
L'étude la plus récente a identifié un nouveau facteur d'interaction spin-orbite causé par le confinement des trous à une dimension, et a constaté que ce nouveau facteur expliquait le résultat expérimental de 2006.
La nouvelle étude vient de paraître dans Lettres d'examen physique , le journal phare de l'American Physical Society.
La recherche a rejoint des physiciens théoriques et expérimentaux de l'UNSW avec des collègues de Cambridge et Sheffield au Royaume-Uni, et Novossibirsk en Russie.
Le travail a été financé par l'Australian Research Council Discovery Program, et inclus Alex Hamilton de FLEET, Oleg Sushkov et Dima Miserev.
FLEET est un nouveau, Centre de recherche financé par l'ARC visant à relever ce défi croissant en matière d'énergie informatique en utilisant des matériaux qui n'ont qu'un atome d'épaisseur. FLEET (le centre d'excellence de l'ARC pour les futures technologies électroniques à faible consommation d'énergie) utilise des matériaux bidimensionnels (2D) comme base d'une nouvelle génération d'électronique à ultra basse énergie. FLEET met en relation des chercheurs de l'UNSW School of Physics et de l'UNSW School of Materials Science and Engineering avec des collègues de six autres universités et 13 autres centres scientifiques australiens et internationaux.
Alex Hamilton dirige le thème de recherche 1 de FLEET la recherche de systèmes topologiques sans dissipation pour le futur, électronique ultra basse consommation.
L'étude originale en 2006, également dirigé par le professeur Hamilton et également publié dans Lettres d'examen physique , ont découvert que la direction d'un champ magnétique appliqué déterminait la division de la conductivité dans un courant de trous. Le même effet ne se produit pas dans un courant d'électrons.
Cette étude a également été la première à caractériser l'effet d'un champ magnétique sur un courant de trous le long d'un fil quantique. Les expériences ont montré que lorsque les trous se déplacent le long d'un chemin unidimensionnel, leurs spins tournent pour s'aligner avec un champ magnétique appliqué dans une direction particulière.
Cette réponse distingue les trous des électrons, qui ne réagissent pas de la même manière aux changements - ils ne se soucient pas de la façon dont le champ est appliqué.
Cette propriété unique des trous offre un potentiel intéressant pour leur utilisation dans la technologie « spintronique ». En spintronique, le spin magnétique d'une particule est utilisé pour exécuter des fonctions logiques, plutôt que juste la charge électrique de la particule, comme en électronique traditionnelle.
